机械手设计论文

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机械手设计论文:基于PLC控制机械手基本设计

摘 要：本文结合机械手的工作过程原理和控制要求，设计了基于PLC控制的机械手，重点介绍了控制系统的设计思路、PLC的选择以及PLC程序设计。

关键词：可编程控制器（PLC） 机械手 控制

一、机械手的工作过程及控制要求

1.机械手的基本结构

机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图1-1为机械手简图，其中 1-执行气爪，2-水平伸缩气缸，3-旋转轴，4-竖直气缸，5-底座，6-工件。

机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。由于采用了模块化拼装结构，可组成立柱型气动机械手、门架型气动机械手及滑块型气动机械手，及其它各种类型的机械手。气动机械手具有三个自由度，即水平（Z）方向自由度、垂直（Y）方向自由度和旋转自由度，并可以采用多种灵活的控制方案。

2.机械手的控制要求

根据要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行。根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-1所示。

机械手的操作方式分为手动操作和自动操作，自动操作又分为单周期操作和连续操作方式。

2.1 机械手的自动运行：

① 下降：② 加紧工件：③ 上升： ④ 右移： ⑤ 下降：⑥ 放松工件：⑦ 上升： ⑧ 左移：⑨ 回到原位又开始新的工作循环周期。

2.2 机械手的手动运行

手动运行是指机械手的上升、下降、左移、右移及夹紧操作通过对应的手动操作按钮控制，与操作顺序无关。

二、机械手PLC控制的设计

1.设计思路

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

送料机械手的动作示意图如图3-1 所示。启动控制有2种，1个由启动开关安装在现场，1个由通过组态王软件控制。在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回原位的基础上才能进行。

2.PLC的选择

该机械手的控制为纯开关量控制，且所要的I/O点数不多，因此选择一般小型抵挡机即可。由于所要的I/O点数为15/6点，考虑到机械手操作的工艺固定，PLC的I/O点基本上可不留裕量。

由于不同记性的PLC，其I/O点的编号不同，因此应根据所选择的机型，对PLC的I/O点分配编号。如图所示的编号。

3.PLC程序设计

为了便于编程，先绘制出整个控制程序的结构框图，如图3-1所示。

在该结构框图中，当操作方式选择开关置于“手动”时，输入点X407接通，其输入继电器常闭接点断开，执行手动操作程序。

由于手动程序和自动程序采用了跳转指令，因此在着两个程序段可以采用同样的一套输出继电器。

用移位器编程：由于自动操作的控制比较，不容易直接设计出梯形图，因此可以先画出自动的操作流程图，用以表明动作的顺序和条件，如图3-2。

图3-2中，矩形方框代表完成某一动作的控制程序，方框之间的箭头线用以表示程序的转换，箭头线上的小横线用以表示转换的条件。

当机械手处于原点时，压下上限位开关和左限开关，输入点X402和X404接通，产生原点指示输出。

根据自动操作的流程图，就可以设计自动操作的梯形图如图3-3所示。

梯形图的控制原理：

3.1连续及单周期操作

在连续及单周期操作方式下，单步输入点X410断开，输入继电器X410常闭接点闭合，将位移寄存器的位移输入直接接入输入端。

当机械手处于原点时，压下上限位开关和左限位开关，输入点X402和X404接通，Y435接通，原点指示灯亮。

① 按下起动按钮，M120接通并自保，移位器数据输入端接通，M100置“1”，Y430接通，下降电磁阀得电，机械手下降。

② 下降到底碰到下限位开关时，输入继电器X401接通，Y430断开，下降停止，同时产生移位信号，将M100的“1”态移到M101。M101的常开接点将Y431接通，夹紧电磁阀的电，机械手夹紧工件，T450开始计时。同时，M101的常闭接点将移位寄存器数据输入端断开，使M100置“0”。

③T450延3s后，其常开接点闭合，产生移位信号，将M102置“1”，M101置“0”。M102的常开接点将Y432接通，上升电磁阀得电，机械手上升。同时，M102的常闭接点将移位寄存器数据输入端断开。

④上升到顶碰到上限位开关时，输入继电器X402接通，Y432断开，上升停止，同时产生移位信号，将M103置“1”，M102置“0”，M103的常开接点将Y433接通，右移电磁阀得电，机械手右移。同时，M103的常闭接点将移位寄存器数据输入端断开。

⑤ 右移到位碰到右限位开关时，输入继电器X402接通，Y432断开，右移停止，同时产生移位信号，将M104置“1”，M103置“0”。M104的常开接点闭合，若此时右工作台无工件，则光电开关因露光而导通，其常开接点使输入继电器X405接通，Y430再次接通，机械手下降。同时，M104的常闭接点将移位寄存器数据输入端断开。若右工作台有工件，则光电开关因遮光面断开，X405断开，Y430不能接通，机械手暂停等待。

3.2设计小结

机械手采用PLC控制技术后，操控简便，系统线路简单，系统运行稳定，大大提高了系统的自动化程度，提高了控制系统的可靠性，同时还能根据不同用户的需求对其功能进行扩展，提高了工作效率及检测准确性。

机械手设计论文:三菱PLC控制的机械手系统设计

摘 要：由于气动机械手具有结构简单、成本低，控制方便等优点，并可以根据各种自动化设备的工作需要，按照设定的程序工作，因此它在自动生产设备和生产线上被广泛应用。由于企业需要对变送器进行高低温补偿，针对公司现有的提供补偿所用的高低温箱，设计了一套小型的用来放置变送器的立体框架，它采用了三菱PLC控制的气动机械手将准备进行高低温补偿的变送器，放置到框架上下两层的各工位上。在详细研究了气动机械手的结构、动作循环及工作原理之后，根据该气动机械手的工作流程，设计了气压传动系统和三菱PLC控制系统。包括气动原理的制定、气动元件的选择以及三菱PLC选型和顺序功能图的编写。气动机械手采用多位置气缸，以实现机械手在框架每层各工位之间的操作；并使机械手操作气缸沿立柱上下运动，以实现机械手在上下两层之间的操作。

关键词：机械手；PLC；控制系统

一、机械手的单个工作流程

机械手移动到传送带B工件处夹紧工件――将工件移动到指定位置传送带A―放下工件―机械手回到初始位置五个过程完成，机械手通过三菱PLC来控制，可实现这五个过程全自动依次运行：A）械手移动到工件B处：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带B）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；B）工件移动到指定位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带A）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；）C夹放工件：通过夹紧/放下直流电机的正转来控制，夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间（本系统设为55），在这个时间内机械手能完全夹紧工件；D）放下工件：通过夹紧/放下直流电机的反转来控制，通过松限开关来控制；E）机械手回到初始位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到初始位置处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制。

二、机械手的操作方式

机械手的操作方式可分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。（1）手动：用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制，如：当选择上/下运动时，按下起动按钮，机械手上升，按下停止按钮，机械手下降；当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移，按下停止按钮，机械手右移；当选择夹紧/放松按钮时，按下起动按钮，机械手夹紧，按下停止按钮，机械手放松，该方式用于机械手系统的“回原位”操作本系统中，可用手动方式用于机械手的初始状态定位，用操作面板上的按钮来点动执行相应的各动作；（2洋步：每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后，自动停止；（3洋周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后，返回原位（如果在动作过程中，按下停止按钮，机械手停在该工序上，再按下起动按钮，则又从该工序继续工作，最后停在原位），本系统采用单周期方式进行机械手的工艺过翟机械手移动到传送带B工件处―夹紧工件―将工件移动到指定位置传送带A―放下工件―机械手回到初始位置）；（4涟续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环，在工作中，若按一下停止按钮SB4，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。

三、C械手气动系统设计

气动机械手硬件系统由四个气缸、三个真空吸盘、限位磁性接近开关、5个两位五通电磁气阀和1个两位两通电磁气阀组成的阀岛、控制面板、接线端子、三菱PLC、按钮开关及指示灯等相关电气元件组成。当按钮开关或磁性接近开关发出信号传递到三菱PLC输入端子，经过三菱PLC程序处理，三菱PLC发出动作控制信号驱动相应主控阀电磁线圈的通断，控制压缩空气的运动方向，使气缸产生对应的动作。要实现前述控制任务要求，其控制部分包括气动回路与三菱PLC控制部分。气动机械手的气压控制回路如图3所示。气源产生压缩空气，经三联件处理后，经两位五通阀和单向节流阀分别进入滑台气缸、回转气缸、悬臂气缸、升降气缸。两位五通阀电磁线圈的通断决定了气缸的动作，比如控制滑台气缸的二位五通阀通电时，滑台气缸本体（缸体）左移；断电时滑台气缸本体（缸体）右移。本机械手选择两位阀，而没有选择具有中位机能的三位阀，主要是为了减少控制信号，减少三菱PLC的输出点数。单向节流阀的作用是调节气缸的运动速度，产生一定的背压缓冲。对真空吸盘吸光盘的过程，当真空发生器通过高压气体时，产生一定的真空度，实现吸光盘，此时，两位五通阀处于通电状态，两位两通阀处于断电状态。对放光盘的过程，要求高压气体先经两位两通阀，通过真空吸盘将吸附的光盘吹落，延迟一段时间后断开真空吸盘的气路，以节约用气量，故要求在两位五通阀通电、两位两通阀断电状态下，两位两通阀先通电，延迟一段时间后，两位五通阀再断电，然后两位两通阀再断电。

四、机械手电气系统设计

应用三菱PLC作为电气控制，可以减化控制线路，降低故障率，实现机械手多种动作线路，具有一定的柔性，也适于教学演示。一般机械手有手动、自动控制之分，手动控制主要用来硬件调试。自动控制中也分单步、单周期、周期循环等工作状态。其控制要求为：按下启动按钮，检测气动机械手是否处于原位，如果不是，按下复位按纽回到原位，如果是，则检测气动机械手处于何种工作状态下，单步意味着每按下一次启动按钮，机械手执行一步动作；单周期指执行一次动作循环，最后回到初始位置；周循环则是机械手重复不断的执行动作，直到按下复位或停止按钮为止。根据机械手的硬件结构，三菱PLC输入信号有：工作状态选择开关输入、启动停止按钮输入、磁性接近开关信号输入、手动开关输入及程序选择开关输入共22个输入点；机械手的输出信号有：驱动4个气缸的电磁阀线圈4个，控制真空吸盘的电磁阀线圈2个，原点指示灯1个，共7个输出点。选择输入点大于22点，输出点大于7点的三菱PLC，可选择三菱的FX2n-48MR。

五、机械手三菱PLC程序设计

气机械手的控制及动作路线由三菱PLC的程序来实现，根据前述要求，该程序框架采用调用子程序方法，在主程序中实现机械手工作状态的选择，子程序实现机械手的复位和动作路线的实现，这种程序框架逻辑清晰，便于阅读与修改扩展，其程序框架如图所示。

在搬运光盘的过程中，光盘会越搬越少，故选择循环动作工作状态时，每次机械手下降的行程会逐渐增长，故程序中没有使用升降气缸的伸出限位开关来反馈位置信号，而是以三菱PLC的软时间继电器设置合适的延迟时间来代替，当光盘被搬空时，升降气缸伸出限位开关被触动时，机械手就自动复位，回初始位置。

结论

气动机械手具有结构简单、易于控制、成本低等特点。针对公司现有的高低温箱，设计了一套小型的用来放置变送器的立体框架，它采用了三菱PLC控制的气动机械手，将准备进行高低温补偿的变送器，放置到框架上下两层的各工位上，实现了变送器的高低温补偿系统。并设计了气压传动系统和三菱PLC控制系统。包括气动原理的制定、气动元件的选择以及三菱PLC选型和顺序功能图的编写。气动机械手采用了多位置气缸，以实现机械手在框架每层各工位之间的操作；并使机械手使用气缸沿立柱上下运动，以实现机械手在上下两层之间的操作。本设计提高了生产的速度，减轻了工人的劳动强度，节约了人力资源，具有很强的实用性。

机械手设计论文:关于PLC控制的智能机械手设计探究

摘要：本文重点就PLC控制的智能机械手进行了设计，所设计的取料机械手通过机械、气动、电气和PLC控制系统的综合设计，可以广泛应用于各大行业的取料领域，实践表明，该系统可以快速、准确的对控制要求做出反应，具有可靠性高、灵活性强、稳定性好，可大大提高生产效率。

关键词：PLC控制；智能机械手；设计

智能仿生机械手用智能手机的iOS应用程序进行控制的一款灵敏系数很高的一种仿生手。2013年帕特里克・凯恩成为英国首位装配智能仿生手的人。这款机械手名为i-limb，可以用智能手机的iOS应用程序进行控制。帕特里克还能控制5个独立供能的手指，其中大拇指还能旋转。该款机械手是苏格兰触摸仿生（Touch Bionics）公司的最新产品。目前，在国内大部分中小型轴承加工企业中，轴承毛坯的冲压、冲孔加工仍靠人工完成，不仅劳动强度大、生产成本高、效率低，而且还存在着安全隐患和产品质量问题；再加上大部分企业车间布局不统一，难以同时满足所有企业的自动化需求。因此，基于上述问题，设计一种用于轴承加工的智能机械手势在必行。

一、智能机械手的结构

智能机械手的总体装置分为两道工序，一道工序专门用于上料，主要包括气动手指、上料垂直气缸、上料伸缩气缸；一道工序专门用于下料，主要包括翻转机构、旋转平台、下料伸缩气缸。两道工序互不干涉，相对于上下料由一道工序完成的机械手，大大节省了时间，提高了效率。在机械手上装有两个红外光电开关，一个开关用来检测是否有料，若有料，机械手就按照指令一步一步动作，完成轴承毛坯的加工，若没料，机械手会等待毛坯到位之后再动作；另一个开关是用来检测冲杆是否将工件带起，若没带起会发出警报，等待工作人员处理。主要元件功能如下：气动手指实现工件的夹紧和松开，装有夹位、松位限位开关；上料垂直气缸实现上升和下降动作，装有上位、下位限位开关；上料伸缩气缸控制机械手的伸出和收缩，实现工件的上料动作，装有前位、后位限位开关；翻转机构用于工件的接取，翻转气缸动作将工件翻转掉到指定位置；旋转平台通过步进电机实现顺时针、逆时针的旋转，装有左侧、右侧限位开关。

二、智能机械手工作过程

气动手指和气缸均由220 V单电控二位五通电磁阀控制，电磁阀通电，气缸伸出、手指夹紧；电磁阀断电，气缸收缩、手指松开。将流量阀分别装在气缸和手指的进气口和出气口，通过流量阀控制气体的流量和速度，来调节舛手指和气缸的动作速度。初始状态：气动手指松开，上料垂直气缸、上料伸缩气缸、下料伸缩气缸、翻转气缸都处于收缩状态。工作过程为：（上电）回原点（启动） 工件到位上料垂直气缸下降气动手指夹紧工件上料垂直气缸收缩伸缩气缸伸出斗气动手指松开伸缩气缸收缩压力机冲压工件，同时下料伸缩气缸伸出下料伸缩气缸收缩旋转平台逆时针旋转900翻转气缸伸出旋转平台顺时针旋转900，同时翻转气缸收缩，如此循环。

三、 PLC控制系统的设计

（一）PLC控制系统

分析生产过程的工艺要求，确定控制系统要实现哪些功能要求；进行控制器、L / O模块、电源模块、控制模式、数据通信模块、通信模式的选择；确定数字量、模拟量输人、输出点的个数，列出PLC输入输出分配表；画出控制柜接线图，根据接线图进行现场接线；根据顺序功能图编写程序进行调试，若是程序问题修改程序，若是硬件问题解决硬件问题，直到调试成功。

（二） PLC软件设计

系统设有手动、连续、单周期、单步和回原点三种工作方式。机械手为初始状态时称为系统处于原点状态，在进入手动、连续、单周期和单步工作方式之前，系统应处于原点状态。机械手从初始状态开始，到夹紧工件、接到工件并将其放到指定位置的过程称为一个工作周期，在自动工作方式下，按下启动按钮，机械手反复地工作，但按下停止按钮机械手并不会立即停止工作，而是完成一个周期的工作后返回并停留在初始步。单步操作常用于系统的调试，在单步工作方式下，按下启动按钮系统只完成一步的动作，再次按下启动按钮，系统接着完成下一步动作。对于本系统而言，当接通I0.3时，系统进入单步工作方式，按一下启动按钮，上料垂直气缸下降，再按一下启动按钮，手指夹紧工件，如此一步一步的动作。连续工作方式的顺序功能图如图1所示，将选择开关打到连续工作方式位置，I0.1为1状态，系统进入连续工作方式。MO.5为原点条件，在初始步为活动步的情况下按下启动按钮I0.5，红外光电开关检测是否有料，若有，则I2.3为1状态，M2.O变为1状态，上料垂直气缸下降。同时，控制连续工作方式的线圈M0.7“通电”并自保持。

（三） PLC控制步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

四、结束语

本文介绍了一种基于PLC控制的工业取料机械手，设计了取料机械手的机械结构和气动系统，并给出了PLC控制系统的软硬件设计和步进电机运行速度控制设计，该系统应用于各大行业，具有稳定可靠的性能，提高了生产效率。

机械手设计论文:机械手PLC控制设计

摘要：基于PLC控制的机械手具有显著的优点，已经成为工业自动化生产的不可缺少的关键技术。本文通过借鉴传统机械手的设计方案，对适用于工厂锻件搬运的机械手PLC控制系统进行了相关模拟仿真和设计。在对机械手液压机构进行了深入的分析的基础上，认为机械手的设计需要考虑回转原点、点动控制和自动化控制三个因素；然后对适合机械手的PLC控制器、压力和位移传感器进行了相关技术参数选择，同时还对整体程序的设计进行了相关阐述，希望能够给以后的机械手PLC控制系统设计提供借鉴意义。

关键词：PLC；机械手；控制

随着工业机械手的广泛应用，其已经成为自动化控制领域的重要技术。在制造业不断发展的今天，机械手一方面可以代替人工进行生产线的作业，另外一方面机械手可以按照实际生产工艺的要求，按照一定的时间和程序设置来完成工作的卸载和传送。机械手的广泛应用可以大大的提高劳动生产率，加快我国制造业的转型与升级。如果机械手采用传统的继电器进行控制，则会直接造成系统原件比较繁杂、稳定性差以及出现故障概率高的特点。随着PLC技术的广泛应用，通过使用PLC来设计机械手的控制系统，可以保证较高的可靠性和较低的故障率，使用起来也相对简单。本文通过采用可编程控制器PLC来实现机械手的控制系统设计，使得控制过程精确可靠，使得在实际生产过程中变得明确和清晰。

1 机械手机构的液压系统分析

本文的机械手设计案例以锻造车间的机械手为例，该机械手处在高温的操作环境之中，机械手所要实现的功能就是将高温的锻件棒材加持到锻造工位的传送带上。实现对棒料准确的搬运，替代人工操作，改善工作环境。机械手的液压系统主要包括了液压驱动、手臂的升降和收缩等系统，再加上液压马达。液压换向回路使用三位四通阀进行控制。在机械手设计的过程中应该考虑以下几个方面的问题：（1）锻件的重量较大，机械手应该具备较大的夹紧力。同时工件在移动的过程中还会出现较大的惯性，保证工件不会脱落。（2）机械手的手指应该具备一定的夹角，手指的开闭角直接影响着工件能否顺利的加持到锻造工位上，对于手指的开闭幅度具有严格的要求；（3）机械手应该保证工件在搬运过程中的准确定位，必须要根据锻造工件的形状来选择机械手手指的形状；（4）由于锻件处在高温状态，在加持过程中应该保证机械手具有较高的强度，另外机械手的结构应该尽量紧凑，使得机械手的重心能够维持在手臂的回转轴线上。（5）在机械手设计的过程中，应该考虑到被抓工件的要求。如果是圆柱形锻件，则应该考虑使用V型手指，圆球形的工件考虑采用三指状的手指，方便加持工件。对于那些表面质量要求比较高的工件，应该在机械手的手指上加上泡沫垫片，防止加持部位的损坏。

2 机械手PLC控制系统的设计

2.1 PLC可编程控制器介绍

机械手所使用的PLC控制器主要包括了CPU、信号输入模块、数据输出模块、CPU扩展单元以及编程模块。CPU相当于PLC的心脏，完成对输入信号和数据的处理，将这些数据存储在存储器中。对于输入和输出模块而言，输入的信号主要有分为两个类别，分别为电压信号和电流信号，如果外在的信号比较尖锐，则会造成PLC的CPU损坏。另外为了控制外来的负载的额度，可以通过小型继电器的使用，来实现外来负载的隔离。在PLC中编程器主要是用来检测各种信号的运行状态，一般使用编程器的状况为逻辑输入有误或者需要检修的时候。本文中的PLC电源使用的是24V直流电源或者220V的交流电源，机械手的PLC控制器选择类型为西门子20EDR-1，有两个输入和输出模块，在A/D转换方面选择AD041型号，所设计的PLC框架如图1所示。

其中PLC的基本参数如表1所示。

本系统的输入电流信号范围是5-23mA，对应的十六位进制为0000-1770。用于补码的转换数据范围是3.2-4mA，当输入电流信号小于3.2mA时，断线检测的功能将会被充分启用，并且将数据转化为8000。首先对于模拟信号和数字信号的转换方面，在CPU模块中不能进行量程控制字符的改变，如果需要改变，则必须进行断电后重新操作。

2.2 机械手位移传感器的选择

位移传感器的选择对于机械手的设计具有重要的意义，机械手臂的升降和旋转都需要位移传感器的作用，还应该把位移数据准确的显示在屏幕上，主要目的就是满足机械手臂的位移和速度测定。目前通用的传感器为光栅位移传感器，当传感器的两块光栅的位置发生相对变化时，光敏电阻发生变化，实现了电信号传递，从而转变为位移信号，实现了位移的精确测量。除了直线位移传感器外，还需要安装角位移传感器，角位移传感器的类型为E6W5-2014。最后机械手指在加持工件的过程中，需要安装压力传感器，其中输出信号范围是5-60mA，电源选择24V直流电源。在机械手触摸屏的选择方面，要求有两个，首先就是要内存要大，能够存储较多的数据，分辨率要大和较高的显示亮度；其次PLC触摸屏要有串行通信功能，更好的方便PLC与机械手臂之间的通信。

3 PLC控制系统的程序设计与步进电机选择

3.1 机械手PLC总控制程序的设计

在机械手臂的下降和上升的程序设计中，只是两者的输入和输出的地址不同。在压力检测方面，只有检测到锻件毛坯夹紧以后才可以进行下一步的位移动作，所以首先应该进行压力的检测，实现了压力数值的显示。本文还通过CAE的仿真优化设计，为了进一步实现机械手臂的启停与位移控制，减少PLC控制器的安装面的位置，可以将启动按钮与停止按钮进行合并。同时为了确定机械手臂是处于手动工作模式还是处在连续工作模式，需要进行连续工作模式按钮，可以根据实际的运行情况来调整机械手臂的位置。同时为了保证机械手的正常运行，机械手在每一个工作周期内都要进行初始位置的检验，如果不是回到初始位置，则应该执行回到回转原点的操作。和启动的程序一样，机械手臂工作的运行方式也是通过按钮来实现的，手动按钮可以实现机械手的各种动作操作，从而满足实际生产的需求，只需要对步进电机的脉冲时间进行调整，尽量减少机械手的行程。在经过CAE软件操作的优化的过程中，可以通过以下结果步骤来进行，首先应该对机械手臂的模型进行优化，建立相应的机械传动机构，包括各种零件的设计以及机械手自由度的设计；其次，对机械手的模型进行运动仿真模拟，测试模型设计是否能够满足生产需求；然后细化设计模型，建立设计变量和目标函数之间的关系，得到性能最优的设计参数。本文根机械手的运动要求将机械手的抓取机构进行优化，从而绘制PLC控制流程图，通过对梯形图控制程序的编写，满足了实际生产机械手的工位需求。

3.2 步进电机选择

三相步进电机通常将电脉冲信号转变为角位移信号，步进电机的旋转是依靠角度的不断移动而进行的。通过对电脉冲数量的控制，来实现位移的控制。在步进电机的选择方面，本文采用的是三菱公司的横轴和纵轴位移的机械手升降机构，最大使用电流为3A。另外PLC启动技术的控制与传统的控制技术相比，具有价格低廉和结构简单等优点。现代化的PLC启动技术可以分为感知系统、控制程序、主机CPU部分以及执行机构的设计部分。在使用CAE进行软件仿真模拟的过程中，通过使用锻件的抓取机构为实际性能的优化目标，通过连杆机构的数次优化和坐标位置优化，使得机械手臂的抓紧力由3.5MN转变为20.56MN。通过采用虚拟样机技术可以有效的模拟机械手在实际生产过程中的抓取行为，现夹紧力的不断提高，具有较大的实际成产意义。表2位本PLC系统中A/D转换器的基本参数。

四个自由度的机械手臂的设计具有一定的普遍性和实用性，在PLC控制的模式下，实现锻件从一个位置运送至另一个位置，准确的实现位置定位和完成各项动作。在实际操作的过程中可以通过触摸屏完成各项操作和读取机械手实际的运行状态，包括压力和位移数值等信息，方便对机械手进行很好的控制。

4 结语

PLC控制技术在机械手设计领域中已经得到了广泛的应用，从而使得机械手在工业领域中得到了广泛的应用。本文在分析参考文献的基础上，借鉴传统机械手的设计方案，对适用于工厂锻件搬运的机械手PLC控制系统进行了CAE模拟仿真和设计。首先对机械手液压机构进行了深入的分析，得到机械手控制的三个关键因素；然后对适合机械手的PLC控制器、压力和位移传感器进行了相关技术参数选择，同时还对整体程序的设计进行了相关阐述，希望能够给以后的机械手PLC控制设计提供参考价值

机械手设计论文:面粉包装机械手设计研究

摘 要：面粉包装机的设计和制造是面粉加工行业的一个重要的创新点，具有实力的面粉企业会不断在原有机器上改进工艺，提高生产效率。同时，农机生产企业也会不断提高设备效率，面向小型面粉厂进行推广。

关键词：PLC控制；包装工艺；PID模糊控制

0 引言

对于企业来说，面粉包装的机械化能再提高面粉包装效率的同时大大节省劳动力成本。采用机械化包装的面粉，不仅包装效率极高，且包装的品质十分稳定。采用PLC控制的更加先进和高效面粉包装机械手的设计，是各大面粉厂家进行研发的重点目标，也是小型面粉生产厂家对产业结构升级换代的一个必由之路。

1 主要功能设计

面粉包装机械手需完成指定的工作循环，同时要根据循环过程中的反馈对循环进行协调。具有调节压力、时间、温度和速度的功能，具有质量检测、自动计量计数、完整的安全策略和根据客户需要提供的可视化操作平台等功能。

控制系统由PLC控制确定精度，并可以根据生产要求调节各项系统参数，本系统采用变频调节技术，可以让机械手系统在效率和节约方面调节侧重。总体来说设计包含软件和硬件两大部分，其中，软件控制部分包含的主要内容即对利用智能模糊PID控制结合快速逼近算法实现的封口过程的精确定位研究，结合此项工作进行PLC硬件选型，编写控制程序。如果需要，同时应开发相应的人机界面来实现监控和手动调节功能。硬件部分的设计需：（1）闭环系统的整体设计；（2）电机、变频器、PLC控制器和光电编码器等硬件的选型；（3）根据系统要求，确定系统I/O设备数量，模拟量的通道数量；（4）建立带有说明的I/O功能分配表。

2 设备组成及包装工艺

如图1所示，开机时，电机启动，通过传动机构带动拉膜带匀速转动，该速度可根据包装规格调整。拉膜外侧是高弹力胶带，内侧为正向齿形带，这种结构可以极大地加强薄膜与皮带的摩擦力，包装材料随着机械手运转向下运动，经过纠偏槽到达成型机，这样就可以对其进行桶状处理，进而加热、加压和纵向热封。

封构机在运行前回到原始位置，包装材料色标达到传感器时，传感器启动横向封口电机，每个封口器都有前后两部分组成，且采用弹簧链接。在工作循环中，两个横向封口机构能够进行互相挤压产生一定的R缩行程，采用这种设计，使两个横封头的回转中心的中心距小于两者的回转半径和。竖直方向上封口机的运动会完成包装袋的横向热封和切断，同时，启动计量螺杆，横封机构回位，等待传感器采集的下一个色标指令。

关于包装工艺，主要涉及供料、横向封装、纵向封装和切断四个方面。本设计主要以各类传感器输入和异步电机通过PLC的控制配合，将生产需求转化为精准控制的过程，达到对生产工艺可控化。

3 PLC设计

首先是确定控制方案和选型。根据统计，本设计系统具有14个开关量输入，7个输出，4个模拟量输入和两个输出，根据I/O点数需求及冗余设计，选择EM232模拟量I/O模块和EM231热电偶PID模块。这样，基本保证了光标检测、手动运行、联锁自动运行、电机速度反馈等。开关量可以控制设备的产品输送管路电磁阀、输送监视系统、横封纵封电机和信号指示系统等。4个模拟量控制热电偶温度输入和横封纵封的加热器温度等。利用MOBUS总线RS485通信调节变频器输出频率控制包装机电机的转速从而达到对工艺的控制。

在此硬件结构基础上，我们开发了手动和自动两种控制模式。手动模式中，操作员跳过PLC主机启停相应异步电机从而达到控制灌装量的目的。控制器、执行器件等开始执行相应循环。同时，操作员操作循环可以保存相关参数，进行自动模式下的循环过程。手动模式的主要目的是调试和修改生产参数。

自动模式中，PLC根据预设参数，自动执行循环包装流程。该模式下，操作员依旧可以通过修改参数干预循环过程，但此过程不打断生产。只需在调整完成后监视生产情况和指示灯，在遇紧急情况是介入停机或采取其他操作。同时，自动模式还具有光标模式，按照给定长度进行封装，无需横向封装的绝对准确。

作者简介：李建伟（1980-），女，河南l辉人，本科，现在鹤壁汽车工程职业学院任教，主要研究方向：机电技术。

机械手设计论文:基于液压与控制技术的机械手设计与分析

【摘要】机械手是模仿人的手部动作，并按要求实现自动抓取、搬运等动作的自动装置。机械手可以在恶劣环境中以及单调、频繁的操作中代替人作业，因此得日益广泛的应用。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置四部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。介绍了工业机械手属圆柱坐标式、全液压驱动机械手，设计了液压回路，对手部材料进行了结构分析，采用了西门子PLC控制其工作过程。

【关键词】机械手；液压；电气

1.机械手机械本体设计

采用了四杆铰链机构，底座与步进电机相连，可沿导轨准确定位，适应于中小轻型物品的搬运和定位放置。分别用3个液压缸和一个丝杠控制，丝杠由电动机驱动，以实现在一个沿x轴的直线行走，一个沿y轴直线行走，一个沿z轴直线行走和一个绕z轴旋转的4个自由度。机械手工作时的运动过程：当货物到达时，机械手系统开始工作，旋转液压缸和伸出液压缸迅速定位到达工件上方，丝杠旋转下降，同时机械手液压缸卸荷，机械手爪张开，机械手到达工件中部，机械手液压缸加压，将工件夹紧。丝杠旋转上升，旋转液压缸开始旋转，伸出液压缸开始收缩，同时步进电机开始向前运动。放置工件时，机械手迅速定位至指定位置的上方，丝杠旋转下降，机械手液压缸卸荷，工件被放入指定位置。

2.手抓夹持面的应力分析

（1）夹持装置的材料特征。手爪夹持装置会频繁地夹持工件，因此，选择了低合金钢。这种钢可塑性好，有着比普通碳素结构钢更高的屈服强度和屈强比的材料。低合金钢还有着较好的冷热加工成形性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向和时效敏感性， 以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。（2）夹持面受力分析。在实际生产应用中安全可靠生产是必须考虑的一个因素，应力分析与位移分析是对整个结构中主要受力部分进行安全系数评估。在应力分析与位移分析过程中，手爪的4个固定孔作为固定面，以手爪夹持工件的面为主受力面，整个分析过程中所施加给手爪的力为100 N，使用的材质是铝合金，最后分析安全系数为 1.5，满足了工作要求。（3）机械手运动学分析。机械手在运动过程中，其运动速度与时间的关系必须要在控制之中，这样才能够准确地计算出其运动的轨迹，在Pro/E的装配中，利用机构来装配其手部，模拟其手部的运动得出运动曲线。由机械手的运动曲线可知，机械手的运动模量变化较为稳定。

3.液压回路的设计

液压机械手的回路（见图2）设计主要由4个回路组成，控制机械手的升降、伸缩、抓紧与放松、回转4个动作，分别由3个直动式油缸和1个回转油缸组成。在液压回路设计过程中，通过两位四通的电磁换向阀控制换向，可以通过调节节流阀的节流口大小控制流量大小，从而控制液压缸运动的速度。此外，为了防止机械手爪误抓住人或其他物体之后造成伤害，在回路中安装了安全阀（溢流阀），当压力达3 MPa时，安全阀打开，所以回路中最高压力不超过3 MPa。液压回路很容易实现自动控制，可以通过PLC来控制换向阀就可以实现自动换向。此外，液压回路可以适应任何恶劣环境，比较容易维护，所以在自动控制中应用越来越广泛。

4.PLC机械手具体系统的主要组成

PLC 液压机械手整个系统主要包括嵌入式微机、端口驱动模块、位置传感器、压力传感器、执行机构。其中的执行机构属于机械手非常重要的组成部分，同时也是机械手内部的主体部分，其中主要包括手腕、手臂以及行走机构等部分。驱动属于执行机构运行重要的传动装置，经常使用的包括液压、气压、电力以及机械传动。控制系统是整个机械手的重要核心部分，主要是用来支配机械手各种规定的运行程序等，并存储相应的指令信息，按照控制系统具体的内部信息完成指令的分配，在一定条件下还能实现对整个机械手具有的监视作用。

以下主要分析在轮胎自动化生产线中的具体控制。在初始的状态下，]合整个机械手系统，并处于上线转出具体的位置，如果接收到开始的具体控制信号，开始启动所有的电动机并进行正转，利用丝杠运动带动机械手逐渐下降。如果下降具体的行程开关发生断开时，下降交流内部的接触器将会断电，最后使电机的转动最终停止，利用自动减压控制机械手具体的动作开始抓取工件，如果机械手内部的全张油缸使用的开关在完成闭合以后，机械手上升交流内部的接触器被接通，从而使电动机开始发转，完成机械手抓取工件同时并上升的动作。如果到达了上线行程内部具体的开关闭合位置过程中，机械手内部上升交流所在的基接触器发生断电，从而使电动机的转动最终停止，同时等待来自于主控系统发送的主图命令，并将会启动整个液压系统完成转入。由于当机械手开始转动时，半径部分出现了相互重叠的情况，因此，每次都会支持一只机械手完成转入动作。如果机械手全部完成了最终的转入动作，机械手进行同时下降的动作。如果下降放工件具体的行程开关完全接通以后，需要接通机械手内部的电磁阀，使气压系统内部工作得到有效的控制，控制机械手手指最后闭合完成放工件的动作。如果机械手内部闭合阀具有的压力开关实现接通以后，左右机械手将会马上全部闭合，最后完成放胎的动作，同时电动机的反转动作得以顺利的控制，并带动整个机械手开始上升的动作，直到最后达到上线的具体位置，完成机械手最终的整个过程。

5.结语

本文对工业机械手的结构和控制进行了设计。液压技术在该机械手中的应用，使设备更容易实现自动控制和过载保护，整体结构更加紧凑。西门子S7-200 型号的PLC在总控制中的应用，使得机械手在工作时更加稳定和便于控制。

机械手设计论文:PLC基础下气动机械手控制系统的设计研究

摘 要：随着经济和科学技术的不断发展，极大的促进了社会的进步，提高了我国自动化技术技能，使得自动化设备在当下社会会中广泛应用。在社会生产过程中，因为气动机械具有自身的优势，其在应用过程中制造的财务支出较少，设备结构简单，使用较为便捷，具有较好的实际应用性。为了提高手动机械手控系统的实际应用性，提高高手动机械手控系统设计合理性，本文主要基于PLC基础气动机械手控制系统的设计研究，来保证手动机械手控系统设计的有效进行。

关键词：PLC；气动机械；手控制系统；设计研究

0 前言

手动机械手控系统在工业生产过程中，可以提高工业生产的自动化能力，提高工业生产的自动化水平，来促进社会的发展。为了促进手动机械手控系统的长远发展，把PLC技术和手动机械手控系统检修整合设计和应用，增加了手动机、械手控系统的自动化性能，实现工业社会自动化发展目标，因此对PLC基础下气动机械手控制系统设计的研究具有鲜明的现实意义。

1 PLC技术阐述

PLC技术是一种具有可编制性的逻辑控制设备，其在实际运作过程中，可以利用具有编制性能的存储设备来对不同设备和元件，来进行计算，并可以保障计算的逻辑性。PLC技术也可以对不同的程序和系统来进行控制，对不同的设备来进行定时操作，把模拟的数字转化为机械和设备的实际运作指示和口令。PLC技术在系统中，其主要的核心设备是微处理设备，可以在工业的生产环节应用，突破了传统技术的局限性，实际操作较为便捷和简单，稳定性和可靠性较高，PLC技术在实际应用过程中结合了微处理设备的优势，满足电气装置工作人员的操作需要，满足当下社会的工业生产需求[1]。PLC技术在我国首次应用是在上个世纪的六十年代，随着社会的不断发展，其应用范围不断增加，在当下的中型产品和小型产品[2]。电子产品、纺织领域、印刷环节等等被广泛应用，具有实际应给予价值。

2 PLC技术基础上，对气动机械手控制系统的设计阐述

2.1 顺序和功能的设计阐述

为了保证实际生产作业的合理性，保证生产不同环节的有序性，在进行设计时，要建立在设计顺序和设计功能图纸的基础上来进行设计，可以降低设计的暗度，为初步设计人员提供方便性，提高设计工作人员的设计效率，保证设计气动机械手控制系统在实际应用过程中，具备较高的应用性。顺序图和功能图这一设计方法，可以把具有编程性质的元件与专用的编程元件整合运用，在当下的PLC设计环节应用较为普遍，建立在气动机械手控制系统的运作流程来看，其在实际应用过程中，要保证气动机械手建立在原始点基础上，来进行摆动缸操作，保证其摆动作业、伸出作业的循环作业，保证其自动化的运作到初始点，进行循环的操作[3]。在实际的操作过程中，气动机械手动作以逻辑树的形式来进行，即首先进行根节点的动作判断，是否动作、怎么样动作，完成之后进行下一个节点的动作判断，亦即是否动作、怎样动作，一个连续的逻辑树结构即能够指挥气动机械手完成一系列连贯的移动、屈伸、抓取的动作，实现实际应用的目的。

2.2 气动机械手控制系统的整体顺序和功能设计

气动机械手控制系统的整体顺序和功能设计，首先在设计时要保证其手动的开关与监测的开关是开放的形式，进而保证气动机械手控制系统的整体顺序和功能设计是，其开关的变化和控制的合理性与单一性。对于气动机械手控制系统的操作形式来说，其要依据开关的选择离开进行选择。如果在实际运作过程中，选择的是具有自动性的操作方法，气动机械手控制系统运作时其没有返回原始状态，要优先利用手动的方法，保证气动机械手返回到初始位置，在进行其他不同环节的操作。对于气动机械手的单周期和自动化操作，其可以利用开关的选择来进行运作。如下图一所示，是气动机械手控制系统的整体设计构建图[4]。

由上图1气动机械手控制系统的整体设计构建图我们可以看出，对气动机械手控制系统的整体设计可以把其划分为两个不同层次，保证每个不同层次可以存放两排，保证每排可以存储四个变送设备。为了保证气动机械手控制系统的整体设计的合理性，保证高温箱和低温箱可以顺利的金融的框架体系中，其在实际设计是，要考虑框架放入变送设备后的重量。在框架的下部环节可以使用轮子来进行设计，保证气动机械手控制系统得知己应用中，可以在工作台上进行自由运作，保证其可以顺利的进入到高温箱和低温箱中。气动机械手控制的变送设备的设计和定位，要依据设计框架的外部大小来进行设计。确保气动机械手控制系统的在完成整体框架的设计后，其可以进行不同工位的运作和搬送，可以良好的进行元件的放置。保证气动机械手控制系统在实际应用过程中们可以便捷的进行加紧作业和伸缩与移动作业，保证气动机械手控制系统的实际应用性，实现气动机械手控制系统的设计最大目标[5]。

3 结论

PLC技术和气动机械手控制系统的结合设计和发展，是社会发展的产物，是科学技术不断进步的结晶，具有时代性的特征，对当下社会的生产和生活具有较大影响。PLC技术和气动机械手控制系统的结合发展，这主要是因为PLC技术自身的优势和实际应用性，其满足气动机械手控制系统的发展需求，可以增加气动机械手控制系统的操作精市裕提高气动机械手控制系统的安全性，降低了气动机械手控制系统的事故发生率。

作者简介：唐跃嘉（1993-），男，四川南充人，本科，研究方向：机械工程。

机械手设计论文:机床自动换刀机械手的设计与研究

摘 要：在生产制造行业内，机床越来越普遍，而机床也向着自动化迈进，无论是控制还是其他系统，而在自动化机床中，机械手的应用也越来越普遍，在机床自动换刀机械手设计上，升降系统是非常重要的，除了升降系统机械手的换刀和对刀具的夹持，都是需要仔细地去设计，而对于机械手设计上要保证机床设备本身与机械手的柔性连接，保证工件的正常输送和机床的自动化加工。

关键词：升降系统；刀具换刀与夹持；机械手设计

1 升降系统

机床机械手的升降系统是一个非常复杂的系统，它的组成部分包括动力装置、传动装置滚动丝杠、导向柱、调速装置、控制元件等。

机床机械手机构中，升降电机带动丝杠运动，滑座在丝杆上做上下运动，同时机械手在滑座上一同做运动，所以丝杠要承受机械手M和滑座m的重量，如图1。

通过图1分析机械手升降系统的工作过程，当机械手接到机床的指令后，电机开始工作，滑块上机械手手抓上升到选刀排的位置，机械手触发刀库的触点，这时候制动器工作，机械手停止上升，机械手进行换刀，完成之后，机械手回到初始位置。

通过分析机械手升降系统中的电动机，机械手手抓工作的功率，可是在工作过程中，制动器会使电动机功率变大，所以在选用电动机时候电动机的功率是手抓理论功率和制动器功率，如下公式：

P电=P制+P手抓

同时在电机工作过程中，电动机也会随着电动机负载的升高，如图2所示。

2 刀具换刀与夹持

在机床机械手换刀上，是自动换刀装置，同时它还担负着把刀从刀库送到主轴上，刀具在主轴上使用完成之后在从主轴上送回到刀库中，机床刀具的换刀方式有圆盘形、直线型，圆盘形换刀是刀架是一个回转体，每个刀都置于圆盘的外圆端，通过圆盘的选择，刀具旋转到指定位置，机械手进行换刀，这种换刀方法是机床上最常见的。

刀具的夹持设计上，一般选取柄式夹持和法兰式夹持，柄式夹持方法是在轴向夹持，这种方法是利用最多的，因为刀柄的尾部是一个锥柄，这种刀具采用模式锥度方法夹持最方便、快捷。而法兰式夹持方法是在机械手前端安装法兰盘，这种夹持方法有一些繁琐。

3 机械手设计

机床机械的形式有很多，种类繁多，对于每个机械手都有它不同的意义和用处。

单臂单爪回转式机械手，这种机械手的手臂是可以回转运动，而回转运动的摆动线与刀库的轴线平行，意义在于机械手的手抓可以快速地抓取到刀具。

单臂双爪回转式机械手，这种机械手的手臂上有两个机械手手抓，手抓是对称放置，这种机械手的两个手抓是分工的，一个是从刀库拿刀送往主轴，另一个是从主轴将刀具拿回到刀库内。

双臂回转式机械手，这种机械手的手抓不是对称的，是在一天轴线上，轴线的两端放置手抓，两个手抓绕中心做回转运动，这种机械手可以实现刀库取刀和主轴送刀同时进行，节省的时间，提高工作效率。

双机械手，这种结构是有些类似于人的双手，有两个手臂，两个手抓，它们是分别运动的，一个是从刀库取刀，一个是送刀，示意图如图3。

4 结束语

因为制造业和工业不断的发展，科学不断的进步，对生产效率不断提高的要求，单纯的使用人力，是不能满足生产需要的，使得机械手的应用越来越广泛，它可以代替人完成更高要求、难度、重复枯燥的工作，所以机械手现在不仅仅应用在机床上，所以怎样能更大提升机床机械手的性能，怎样将机床的控制系统与机械手完美的连接，怎样能使机械手成为FMS系统中一个重要部分，这是机械手研究设的一个重要环节和意义所在。

机械手设计论文:机床机械桁架机械手的设计与结构分析

摘 要：在制造业机械手是一个非常有名气的词组，机械手是自动化生产线上不可缺少的一部分，它的出现使生产行业更方便更快捷，它的优势就是灵活、运动惯性小，可以代替人手去完成相应的工作，而在大型机床上也有机械手的应用，它是附着在机床桁架上，通过分析机械手在生产中的应用，总体布局，以及驱动系统，最终确定机床桁架机械手，而在制造行业内，通过机床桁架机械手的应用，提高了机床的自动化程度，同时也增加了机床加工中的安全性、可靠性。

关键词：机构分析；机械手；驱动系统

1.总体结构

机床桁架机械手的设计和分析，可以从两部分分析，一部分是桁架，另一部分是机械手，对于桁架的分析，可以简化成梁的分析，它的机构就类似于力学当中的结构梁，从力学的角度分析，可以将机床桁架与简支梁做横向对比，可以通过简支梁的弯矩图分析桁架，增加机械手对桁架的作用力，我们可以画出如图1所示的力学分析图。在机床上桁架机械手有着很高的要求，要求机械手有着效率高、可靠性强的要求，对于桁架的立柱选择，它要使桁架支撑稳定，同时也要节省机床的整体空间，而对于大多数立柱的结构，都选取钢结构。

2.机械手及手臂

2.1 机械手

桁架机械手的作用就是起到运输的作用，它是使工件在上下料的轨道与机床内之间移动，将加工后的零件从机床上拿出，再将要加工的零件从轨道上拿起，放到机床上。主要的动作就是：爪张开，抓取，升降，左右移动。对于机械手的手爪设计有很多种方案和形式，可以根据不同的需求，选择不同的设计方法。如D2所示。

（1）机械自锁手爪：对于这种结构，设计者们非常喜欢，因为这种结构很受消费者的喜欢，它的结构比较简单，但是在对抓取上也做了复杂的设计，为了防止在夹持零件时候脱落，增加了自锁装置。

连杆杠杆式手爪：这种结构可以从名字上得到启发，它的设计就是利用机械连杆机构，通过连杆和杠杆的传递，使手爪夹持和松开，但这种机构有一个缺点，就是夹持力比较大。

齿轮齿条式手爪：这种机构的传递性最好，动作反应速度最快，它是通过齿轮之间的传动来控制手爪，可以实现速度上的突破。

2.2 手臂

对于桁架上机械手的手臂设计时，要考虑机械手臂的载荷，在运动上要实现快速运动，但在机构上也要能承受力。在机床桁架上的机械手一般做直线运动，所以在考虑手臂设计时候，一般选择液压直接驱动手臂，在机械手臂的液压缸选用上，要使液压缸的直径大一些，这样手臂的整体强度比较高，而对于液压缸的校核可以通过以下公式进行核对：

活塞杆直径的校核公式：

式中：F――活塞杆上的作用力；[σ]――活塞杆材料的许用应力。

缸体壁厚的校核公式：

式中：D――缸筒内径；py――缸筒的试验压力。

桁架机械手的运动为机械手在桁架上做水平运动，到达指定位置后，机械手下降运动，手爪夹紧工件，带动工件上升，逆向运动，将零件放置到轨道上，手爪松开，在这个期间内，有几个位置PLC控制限位器，分别在机械手的下降和上升停止的时候。在机械手将零件从机床夹持时候，下一个工件到待定区域，机械手结束这个动作后，回到待加工零件位置处，机械手下降，夹持零件，将零件放置到机床内，机械手回到初始位置，PLC停止脉冲输出，机床进行加工，机械手完成运动，桁架机械手往返做以上运动。

3.驱动系统

对于机床桁架机械手驱动方式的选择可分为回转型和移动型，是通过手指的方法区分，要是通过机械手夹持的不同可以分为内外两种。

（1）气动驱动方式：这种控制方式是通过电磁阀来控制机械手，在通过利用气流调节阀来控制机械手的运动速度，这种驱动的成本比较低，因为得到气体成本低。

（2）电动驱动方式：在机床桁架机械手设计上，这种驱动方式使用最频繁，因为机床也需要用电，而这驱动系统只是需要利用电机，就可以达到速度上的控制。

（3）液压驱动方式：液压驱动方式是通过液压系统进行控制，它的好处就是可以实现连续位置控制，同时传动刚度也大，液压驱动一般选择液压马达作为动力源，液压驱动元件的特点见表1。

结语

随着国内不断地发展，劳动力成本的不断提升，机床在自动化行业欢迎程度也随之提高，但同时也要将机床的配套设施提高上去，尤其对于生产大批零件，机械手也变得尤为重要。对于现代工业发展来说，机械手的发展速度还是不是很快，对于机械手的控制上要采用PLC控制是最方便的，而对于机械手的发展要不断去开发，团结思想，通过集体设计者们的努力，不要客观地设计，要将多元素有机结合起来。

机械手设计论文:基于PLC的机械手设计

摘 要：在本文中，所设计的控制系统是应用于机械手系统，保证机械手能够有效完成两条生产线之间的运输任务。系统整体上选用电气一体化的方法，通过气缸自锁功能能够保证机械手在抓放或者断气状态下保持机械手姿势，通过电机控制技术完成机械手多自由度运动。机械手系统具有上电初始化、原点复位、报警提示、手动操作、半自动操作及全自动操作功能，满足了企业的工作需求。

关键词：搬运机械手；电气一体化；定位控制

0.引言

随着制造业的快速发展，机械手成为当今时代的标志，有效改善劳动条件，保障人身安全。当前，机械手可以精确执行预先编写的程序命令，实现预计动作，被广泛应用于机床、模具锻造或者点焊、喷漆工艺方面。本文基于完成生产线之间物品运输设计的机械手系统，能够完成手臂上下伸缩、手臂左右摆动以及手指抓握3个动作；采用集成传输模式，即手臂机构采用伺服电机驱动，手爪机构则采用气压传动。

1.硬件结构设计

1.1 伺服电机选择

电机选择方面，本课题选用交流伺服电机，因为随着电机调速方法的不断研究，目前能够将电机调速范围与成本降低到宽调速直流电机。同时，交流伺服电机拥有较高的可靠性和控制性，因此目前能够得到广泛应用。而直流伺服电机内部存在电刷和换向器因素，导致电机工作可靠性降低，提高后期运行成本；交流异步电动机虽然没有电刷磨损，结构简单，成本较低，但应用时对其调速十分烦琐，成本相对较高，不经济适用。考虑到电机后期维护方便，本课题的升降电机与旋转电机都选用交流伺服电机PanasonicMDMA152P1U型号，便于后期保养维修，采用的驱动器为MDDDT5540型号。

1.2 气缸和阀门的选择

本机械手驱动系统运动速度由气流调节阀控制，运动方向由电磁阀控制。目前，气体驱动系统凭借其价格低廉等优点在工业中得到广泛应用。同时气动夹持器由于气体的可压缩性，在捕获过程中具有一定的灵活性，不会由于力度过大导致被抓取物破坏。根据指尖距离及手爪夹紧力，夹紧装置选择一个具有可调缓冲装置的双作用气缸，并设有夹紧装置和压力传感器。气缸本身配有两个一位单通阀门，本设计为了能够保证气缸在断气状态下保持气缸内部的压力，所以根据经验选用SMC公司的VZ110气开阀。

1.3 传感器的选择

传感器的功能是将被测物的物理量转变成由控制系统可以识别的电信号。实时检测系统本身以及工作对象、工作环境的状况，为控制系统提供有效精准的电信号。本课题研究的机械手，位置检测装置主要用来判断机械手执行左旋/右旋，上升/下降等动作时是否到位，通常选择行程开关，并将其安装在预先设定的位置。本机械手选用直线接触式行程开关，当行程开关检测到机械手运动到预定位置时，立即终止当前动作，准备运行下一动作。

2.机械手动作的实现过程

机械手的工作均由伺服电机驱动螺纹丝杆旋转和电机自转来完成。本机械手的一个工作周期要完成手臂下降―工件加紧―手臂上升―右旋―手臂再下降―松开工件―手臂在上升―左旋8个动作，全部由对应的限位开关来控制，系统原始位置设置在原点，当按下开始命令时，机械手会立即有序的执行预订相应动作。为确保人身安全，机械手安装了一个光电开关，当机械手右旋到预定位置时，必须检测到右工作台上没有工件时才能执行下降动作。另外，机械手能够实现自锁功能，在系统断电断气情况下保持机械手姿势。本文研究的机械手系统工作方式一共有手动操作，半自动操作，自动操作3种模式，当系统上电后机械手首先初始化，然后进行选择相应的工作方式。

3.控制系统的设计

控制系统是机械手设计的重要组成部分，是保证机械手在工作过程中安全可靠的关键。实时控制着机械手的每一个作业动作，控制系统的稳定性以及可靠性的好坏直接决定了机械手工作过程的效率，起着不可低估作用。

3.1 PLC的选用

本文机械手的控制系统根据经验选用“CPU226AC/24输入/16输出”型PLC，另外，由于系统I/O端的分组情况及隔离与接地的需求，需要增加10%～20%的裕量，配置了两个EM253位控模块和一个EM22324VDC数字组合8输入/8输出的扩展模块。本文设计的控制系统，控制面板上操作按钮的输入端应该接入PLC输入口的I0.0-I1.5，系统的行程开关接入I1.6-I2.3，料架上的两个光电传感器应该接入I2.4、I2.5输入口，伺服驱动器的报警端接入I2.6、I2.7接口，伺服电机定位完成后发出的信号接入I3.0、I3.1。其次，PLCQ0.0-Q0.6输出端连接系统信号指示灯，Q0.7-Q1.4端连接外部信号，实时检测机械手状态，Q1.5-Q1.7端连接驱动器，为电机提供电源，Q2.0-Q2.3端连接定位模块，主要控制电机的运转，Q2.4-Q2.5端连接气缸控制阀，调节气缸的伸缩。

3.2 控制模块设计

本文中，控制系统主要由PLC主控单元、I/O模块和EM253位核心控制器构成，机械手的抓放动作由选用的气缸驱动，其余动作由选用的伺服电机驱动，同时电机配有驱动器，由位控模块接收脉冲输入。结构上，系统配有极限行程开关，每个部件的极限运动由脉冲来限位。主控单元采用单独封装，设计为模块式结构，安装在相应的支架上，主要包括PLC模块、触摸终端、I/O模块和两个位控模块，通过PLC专用电缆进行相互通信。位控模块采用的是PLC特殊模块EM253，因为可以运用其产生的脉冲串对电机速度何位置进行开环控制，产生的脉冲串存储在S7-200相应的存储区中，通过扩展的I/O总线与S7-200进行通信。

3.3 控制面板的设计

本文所设计的机械手根据实际应用所需设置以下控制按钮。（1）工作模式选择开关：当正常生产时将机械手调到自动模式，机械手会自动运行。当机械手出现故障或者出现报警时可以将机械手调到手动模式，机械手可通过点动调整。（2）电源开关：当机械手系统准备工作时，必须将电源拨至ON位置，给系统设施供电，其中触摸终端由PLC进行供电。当机械手系统停止工作时，必须将电源拨至OFF位置，切断一切设施供电，保证系统及人身安全。（3）急停按钮：当机械手系统在运行过程中，出现突发情况例如搬运不够稳定、下放物品不到位、超过了极限位置以及没有抓取成功目标物等等发生时，迫使机械臂系统停止工作，此时仅需按下急停按钮，则可立即使机械手停止工作，有效避免事故的发生和经济损失。（4）机械手上升、下降、左旋、右旋、夹紧、松开按钮：这些按钮通常在调试或者排除系统故障时对机械手进行单步操作时使用，属于手动操作。（5）复位按钮：当需要将机械手系统自动恢复到初始位置的情况时，需要按此按钮实现相应复位功能。（6）启动按钮：当机械手系统完成上电，工作模式等一系列前期准备工作之后，按下此按钮系统就会自动完成预设搬运动作。（7）测试灯/报警按钮：机械手系统安装结束后，要对机械手的作业稳定性进行试验。此时，试灯/报警清除按钮对电路上所有的工作指示灯做检测，保证正式运行时的安全。另外，当机械手系y出现报警时，我们对系统进行故障维修后，必须按此按钮消除报警，使系统进行正常作业。

结语

本文对机械手驱动系统、控制系统方面进行认真细致地研究，能够对生产线上有无工件进行精准判断，降低了工作劳动强度，提高了企业生产效率，对自动化生产线的柔性制造方面和工作效率方面起到了不可估量的作用。

机械手设计论文:气动机械手在自动化冲压生产线设计中的应用

摘 要：随着科学技术的不断更新和进步，生产自动化已经作为一种趋势，深入到工业生产的方方面面。在自动化冲压生产线的设计中，气动机械手已经被广泛采用。本文首先介绍气动机械手的概况，接着进行自动化冲压生产线设计的介绍，最后将二者结合，具体探讨气动机械手在自动化冲压生产线设计中的应用和前景。

关键词：气动机械手；自动化；冲压生产线设计；应用

近年来，我国的冲压生产线已经高度自动化，改变了过去单纯依靠劳动力投入的低效率模式。随着技术的进步，气动机械手又广泛应用于自动化冲压生产线，进一步解放了人类劳动，工业生产的质量和效率显著提高。基于气动机械手在自动化冲压生产线中的重要作用，企业开始将自身发展同气动机械手的应用密切联系。

一、气动机械手概述

气动机械手指的是利用现代气动技术、气动伺服控制技术和计算机技术为核心的控制技术，完成生产线上物品的抓持、搬运和卸料工作，以此代替人力劳动，提高生产效率的现代生产技术。

气动机械手是典型的机、电、器一体化的产物，同市面上存在的机械传动机械手、液压传动机械手、电气传动机械手相比，具有技术要求低、动作速度快、使用成本低、维护费用少的特点，因此是最受生产企业欢迎的高性价比的生产工具。

二、自动化冲压生产线的设计

自动化冲压生产线是一个循环往复的单线系统，它的工作周期一般为：拆垛――物料运输――取料、送料（压机冲压）（该步骤可能重复）――生产线末端输送――人工码垛。

（一）系统组成

自动化冲压生产线是一个单线系统，它的组成往往根据厂家生产产品的不同而略有差异。一般来讲，自动化冲压生产线有拆垛系统、过程操作（涂油、压板等工艺）系统、上下料系统和线末运输系统组成，最后经过人工码垛，完成整体生产线的生产过程。

（二）控制系统

1、控制层

自动化生产线的控制系统一般采用PLC控制方式，这种控制方式具有现场总线的控制，同时具有单独控制及连线自动控制的功能。它将整个系统分为不同的控制部分，每个控制部分上都设置有一个PLC，每个部分PLC之间与上级PLC之间采用以太网方式进行数据交换，联网时可以被系统监控和使用。

2、设备层

设备层管理的主要是生产线中的各种设备，处于整个控制系统的最低层，同时也是整个系统最关键的环节，因为它控制的是实际生产的环节，主要监控现场操作站、现场输入设备以及现场执行机构等部分的工作。设备层受总线PLC控制，向总线PLC发送信号和数据，并将接收到的总线PLC命令直接传达到生产线的指定环节和设备，使自动化冲压生产线稳定地生产和运行。

（三）安全系y

安全是自动化生产线的最大特点， 自动化冲压生产线一般配置高级的保护系统和完善的安全装置，不仅能够实时监控生产的进行，还能在危险发生时及时发出警报信号，有的甚至能够自动判断危险级别，进行停机保护。

整个安全系统同样受总线PLC控制，保证了线路运行在统一的指挥和监控下安全运行。

三、气动机械手在自动化冲压生产线设计中的应用

气动机械手的应用具有安全性高、抗高温环境、抗危险（易燃、易爆、辐射等等）环境、效率高的特点，并且在成本投入上，又有成本低、动作快、平稳可靠、节能环保、维护和运营成本低等优势，因此被广泛应用于各种自动化冲压生产线中，不管是汽车制造业、家电制造业还是食品加工业、军事制造业，都能看见它的身影。

（一）气动机械手要求对控制器进行有效选择

气动机械手的应用，需要在强有力的系统控制下进行。因此，在设计自动化冲压生产线的过程中，如果考虑加入气动机械手，就要做好控制器的选择工作。要选择具良好性能，同时遵循“简单、稳定”特征，能够对总线和各部分PLC进行准确把握的控制器。

（二）气动机械手要求实现自动与手动相结合的送料系统

在自动化冲压生产线的生产过程中，大部分工作都由自动化的气动机械手来完成，但是要求必须实现自动系统与手动系统的结合。因为气动机械手只能完成规定的将物料送入机械设备的动作，但是在一些需要主观能动性决定的工作操作（质量检验、装箱码垛等等）中，气动机械手却无能为力，只能靠手动操作系统来完成。

（三）气动机械手要求系统具有可靠的功能

气动机械手在自动化冲压生产线设计中的应用，要求系统能够提供相应的安全和生产保障，从而来指挥气动机械手进行正常的生产。

1、报警系统

作为一种机器，气动机械手的工作过程是简单机械的，只要系统不发出停止或者其他操作指令，它就会不停地运转。在危险发生的时候，气动机械手并没有主动判断危险的能力，这个时候，如果没有可靠的报警系统给总线控制系统传递信号，气动机械手就会不停地运转，导致重大生产事故的发生。

2、停止功能

在自动化冲压生产线设计的过程中，一定要格外重视对气动机械手停止功能的设计。在危险发生时，通过设备或者遥控开关面板上的“停止”键，使设备立即停止运行，能够及时阻止更危险情形的出现，降低事故的损失率。

3、状态显示功能

机器人不会说话，它的工作运行状态，只能通过状态显示功能来体现。因此，在自动化冲压生产线设计的过程中，一定要做好状态显示功能的设计，使其能够对系统各个部分的运行状态进行反应，及时解决生产中出现的各种问题。

四、气动机械手在自动糊冲压生产线中应用的前景

（一）重复高精度

与人工操作相比，气动机械手采用气动伺服技术和现代计算机技术，生产过程可以实现高精度重复。在气动机械手生产的过程中，如果一个气动机械手出现了定位不精确的误差，就会及时启动误差调整功能，保证工作的高精度。随着微电子技术和现代控制技术的发展，气动机械手的精确度会越来越高，它的发展前景和工作领域会越来越宽广。

（二）模块化

现代的气动机械手正在由组合驱动装置向模块化拼装装置转化。这种转化使气动机械手的安装使用更加灵活方便，扩大了气动机械手的应用范围，也是气动机械手发展的重要方向之一。

（三）无给油化

在食品、医药、纺织等生产要求高的行业，无污染是他们共同的追求。现在，随着技术的发展，已经实现了不加润滑脂的不供油润滑元件生产技术。这种无润滑元件如果在气动机械手装置中得到广泛应用，不仅能够节省润滑油、降低环境污染，而且能降低生产成本、延长机器使用寿命，给相关行业带来更大的利润空间。

（四）劳动力集约化

在传统的生产线中，单纯采用人工方式进行重复性、危险性、节拍高的生产工作，工人劳动强度大，很容易发生工伤。气动机械手在自动化冲压生产线中的使用，代替了大部分危险性的人工工作，节约了人力劳动成本，提高了人工及设备的安全性。这正体现了一种未来工业的发展趋势。

结语：

气动技术的发展经历了一个漫长的发展过程，我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但是近年来，随着我国相关部门和企业重视程度的提高，对于气动机械手的投入力度和研发力度在不断加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在各种行业内广泛应用，并且获得了国际的一致好评，为国家的技术进步做出了卓越贡献。可以预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进入工业、军事、航空、医疗、生活等各个领域，更多地影响我国的工业生产过程和人民的现代化生活水平。

机械手设计论文:基于视觉的并联机械手分拣系统的设计

摘 要：DELTA并联机械手具有其结构简单、维修方便、运行速度快、精度高等优点，因此广泛的应用在食品、医药、电子等轻工业生产线上作为装配或分拣机构。本文以三菱Q系列PLC为核心控制器，以QD75P2定位模块和三菱伺服驱动单元为运动控制部件，制作了一台DELTA机械手装置，利用SVM等视频智能分析技术，实现不同形状和不同特点物体的识别和分拣，具有很高的实用价值。

关键词：并联机械手 三菱QPLC QD75 视觉分析

1 引 言

机器人可以代替人类进行很多繁重和危险的工作，是过去数千年一贯的梦想。人类进入二十一世纪以后，现代科技飞速发展，让机器人逐渐由梦想变为现实。现在机器人已经成为信息和自动化行业蓬勃发展的一个重要领域。机器人从结构上可以分为串联机器人和并联机器人两类，串联机器人具有工作空间大、操作灵活等优点，虽然在工业生产中得到了应用，但是它也存在承载能力低、动力学性能差和关节误差累积等缺点。在实际应用中需要机器人具有高的承载能力、良好的动力学性能以及高精度等要求时，这就迫切需要有另外一种机械结构形式的机器人可供选择。在这种情况下，并联机器人就应运而生了。并联机器人与传统的串联机器人相比，并联机器人具有运行速度快、承载能力强、高柔性化、精度高以及惯性小等特点，因而在航天、航空、航海、机电工业、医疗器械、微型微动机械等方面得到了广泛的应用。

并联机械手由于其诸多的优点成为现在研究领域的热点，由于其运行速度快、承载能力强、高柔性化、精度高以及惯性小等特点，已在航天、航空、航海、机电工业、医疗器械、微型微动机械等方面得到了广泛的应用。PLC的控制使得并联机械手的运动轨迹和控制更加的科学化、人性化。可自动按程序完成工件的检测、抓取、放置、按照设定的轨迹进行工作，保证了伺服电机、主轴、从动轴等各执行构件的动作相互协调，系统运行可靠。

2硬件方案设计

本文设计的并联机械手主要由三条主动臂、三条从动臂和上下两个平台组成，每条主动臂上由一个伺服电机驱动，一个铝制主动臂和一组碳棒组成的从动臂连接，两个平台也分别是用铝材料打造而成。三个伺服电机固定在主平台上，电机与铝制主动臂是通过键结构连接，该结构使电机与主动臂联为一体，主动臂另一端同从动臂连接，从动臂与动平台框架连接。当机构圆点回归运动时，主动臂末端连接的三个伺服电机同时作用于动平台，这样就可以让动平台位于固定的一点，全部结构由三维建模软件SOLIDWORKS设计并仿真，在完成仿真后进行分零件加工。并联机械手运动机构的三维模型图如下图1所示。

当机构需要对物体进行抓取时，则需要伺服电机同时输出不同的脉冲数，进而带动整个机构到达指定位置。动平台框架上可以根据生产中的实际需要来安装不同形式的抓手。本文为了实现对不同形状镍铁合金物体的抓取，采用了电磁铁，用于拾取工作台内的镍铁金属物件（例如螺丝，螺帽，硬币等），体现机械手整体的灵活性、精确度而选择，为了不影响吸取周围的金属物件，吸盘的周围增加了缓冲套，为了能吸到物件偏离而设计，也可以防止吸到其他的物件，选择吸盘不止可以金属分类，也可以对金属和非金属的杂物进行筛选。在动平台不但可以装电磁铁，也可以和切割、画图、扫描等功能多元化结合，可以拓展的功能多种多样。

为了进行视觉信息的采集，本机构中采用了摄像头模块，其分辨率为320*640像素，视角为75度广角镜^，主要功能是捕捉工作台上的物件位置外观，可以附件工作录像、实施拍照等功能，增加摄像头可以大大提升了设备的智能化水平，对于不同的器件的分拣，只需要扩展其识别类别即可。摄像头的工作内容为识别工件的位置、形状等信息，将相关信息传输到人机界面，人机界面将数据进一步传输到PLC，等待PLC计算并控制机械手动作并对其监视，确认无误后进行下次识别工作。

PLC可编程控制器作为本装置的控制核心处理器，选择的是三菱Q系列PLC，作为一款中型PLC产品，三菱Q系列PLC具有更高的处理速度和更多的智能模块可以选择。具体的各模块型号如下：Q61P电源、Q30UDCPU、QD75D2N定位模块、QX40输入模块、QY10输出模块、QJ71E71-100以太网模块，伺服运动控制器选择：三个MR J3-10A伺服驱动器、三个HF-KP13伺服电机。

本装置状态的监控采用三维力控监控软件，作为一款主流的控制监控HMI，力控提供了性能优异的实时数据库、多设备接口、专业的HMI等功能，为完成机械手控制系统的设计提供了良好的基础。

3软件方案设计

3.1 PLC控制模块

在PLC程序中采用双精度64位的浮点型传送指令将实物中的主动臂长度，从动臂长度输入到某个指定的位置中，如"EDMOVP E20 D2"。然后，运用PLC程序里的浮点型算法指令"ED*、ED/、ED-、ED+"编写上述计算出夹角的方程，PLC程序中动平台中心点P的坐标是通过外部信号传输给它的，每一次P点的坐标更新都会通过PLC编写的算法重新进行计算，PLC算法最终是计算出主动臂和XY平面的浮点型弧度角，所以需要再通过PLC转化，将算出来的浮点型弧度值转化，如"DINTD D0 D4"。最后对计算出来的弧度进行放大处理转化为三个伺服电机的脉冲数，让三个电机运行到硬币位置，电磁铁得电硬币被吸引实现抓取，抓取后运动到指定区域后电磁铁失电实现硬币放置，完成本次智能识别抓取任务，并进行下一次识别动作准备。

3.2 定位模块参数设置

伺服放大器MR-J3-10A具有更高性能和更高功能，其控制模式有位置控制、速度控制和转矩控制，广泛用于机械工具和工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度控制。伺服控制参数的设定是本设计的重点，通过Q系列PLC的参数设置使用编程软件Works2对其自带定位参数进行修改，伺服系统内部参数设定，是根据系统要求对可编程控制器的参数进行相关设置，从而使PLC通过脉冲来控制伺服放大器来对伺服电机控制，通过设置机械设备和相应电机的速度来对系统进行速度控置。

3.3 PLC控制模块

视觉识别模块主要完成对硬币形状、颜色、大小的识别。它是整个装置中的核心信息驱动模块，主要由工业摄像机和相关软件组成。工业摄像机可以清晰的拍摄到物料圆槽中的所有饰品，并形成图像传递给信息处理计算机，为了完成饰品原料的精确抓取，需要完成样本库的创建、图像的抓取、二值化、轮廓识别、子图抠取、子图旋转、矢量化运算、样本比对等环节，最终完成每个饰品的位置、方位、倾角、文字符号的定位和模式识别。得到这些信息后，机械手才能正常的完成工作。因此视觉识别模块为系统核心模块和其他模块的正常运转提供必要条件。

4系统调试

使用三菱编程软件GX Works2进行程序的编辑，打开GX Works2软件，设置相关PLC参数，进入主程序编辑界面，输入相关程序，编辑QD75P2模块的相关参数。具体操作步骤如下：

（1）新建程序文档，更改程序文件名；

（2）进入软件，更改PLC类型、程序语言；

（3）输入用户程序，在程序编辑框内，逐条输入程序指令；

（4）编辑程序，如果程序中有语法错误，则给出错误的数量。

4.2 模拟调试

通过计算机和PLC连接，使用编程软件GX Works2上的模拟调试功能对系统进行虚拟调试，虚拟调试不需要连接设备减小了系统损耗，也使程序编写更加方便，是系统调试必须要进行的环节，具体操作步骤如下：

（1）在断电情况下，用编程电缆（PC/PPI电缆）将计算机和PLC主机相连；

（2）接通计算机与PLC的工作电源；

（3）在计算机上运行GX Works2软件，并进行正确的通信参数设置；

（4）通过GX Works2软件，将机械手的控制系统程序导入至PLC中，并将相关的定位数据同时写入PLC中；

（5）建立计算机和PLC主机的在线联系；

（6）用户程序监视运行；

（7）用户程序动态调试。

结合程序监视运行的动态显示，分析程序运行的结果，以及影响程序运行的因素，然后在STOP状态下对程序进行修改编辑，重新编译、下载、监视运行，如此反复修改调试，直至得出正确运行结果为止。

4.3联机调试

在断电条件下硬件线路接好，按照电路图要求，将PLC和外部设备通过航空插座相连，同时将PLC和编程计算机，伺服放大器与伺服电机相连。将系统所有设备接通电源后，PLC在计算机的监视下运行用户程序。观察系统运行动态是否符合设计要求。伺服电机执行回原点动作，定位启动按键断开，按下"原点回归"按键，近位开关将回到起始位置。第一步定位完成。 当摄像头成功的识别出物体后，PLC将位置数据传送给各个伺服放大器，伺服放大器驱动X、Y、Z轴同时运动，到达定位点，接着，PLC控制电磁铁得电，将物体吸引实现抓取；最后，当机械手抓到物体后，再将抓取物体先提升到指定高度，平移，最后下移，到达指定高度后，将物体放置下来，并做好对下一物体的抓取准备，完成了一个抓取周期。

5 结 论

并联机械手由于其刚度大、承载能力弱、响应速度快、精度高以及惯性小等特点，在轻工业中得到了广泛的应用，成为了机械代替人力的典型范例。随着机械手应用的普及，机械手向着专用化、机械结构模块化、可重构化的方向发展，机械手的运动更加的灵活准确多样化，其控制方式也在向着多元化的方向发展，其应用将有着更大的发展空间。

机械手设计论文:液压机械手的设计

摘要：液压机械手主要是以液体为介质，并且利用液体的压力由此来驱动执行机构的运动。其主要特点是：首先，能够实现循环工作的自动化和自动过载保护；其次，控制调节简单，方便省力；最后，这样能够更好地实现无间隙传动，还可以让操作更加平稳。

0 引言

机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、执行轨迹、实现自动抓举或搬运的自动化机械装置。产品机械手价格昂贵，一些小型机械企业望而止步。文中所研究的机械手采用液压驱动方式，主要功能是实现上下料过程的自动化。其造价低廉、控制性好，可为小型机械行业所用。现将设计过程简单介绍。

1 机械手的技术参数

①自由度（四个自由度）

臂转动 180°

臂上下运动 175mm

臂伸长（收缩） 400mm

手部转动 ±90°

②手指握力 392N

③驱动方式 液压驱动

2 主要设计内容

2.1 结构原理设计 根据设计要求绘制出其机械手结构原理图，如图1所示。

2.2 系统结构分析 本次液压机械手的设计主要是由执行机构，驱动装置，被抓取工件等部分组成，各系统之间的相互关系如图2所示。

2.3 机械手机械系统结构设计 机械手的机械结构部分主要是由执行机构构成的，其中执行机构又包括末端操作器、手腕、手臂和机身。

2.3.1 末端操作器

机械手为了进行作业，在手腕上装上了操作机构被定义为末端操作器。它的最为基本作用是：直接抓取工件、工具或物体等，末端操作器的功能与人手相似，工件的形状和特征直接决定末端操作器的机构形式。本次设计手部的结构选择为滑槽杠杆式夹钳。

2.3.2 手腕

机器手的手腕是连接手部和手臂的桥梁，其主要用途是调节、改变工件的坐标，因此具有相对独立的自由度，从而使机器人的手部能够完成各种复杂的动作。一般，按照自由度分类，手腕可以设计为三个自由度。分别为：单自由度、二自由度和三自由度。本次设计中选用的是单自由度手腕。

2.3.3 手臂

手臂是机械手执行机构的尤为重要组成部件。手臂根据它的运动方式可以分成四种类型，它们分别是“直线运动、回转运动、俯仰运动和复合运动。此次设计选用的是直线运动、回转运动的复合运动。

2.3.4 机身

机械手的最基础的部分是机身，它的主要作用是连接、支撑。所以机械手主要承受动力装置、液压装置的重量。

通过Pro/E软件完成机械手的三维造型如图3所示。

2.4 液压驱动系统总体设计 机械手液压系统原理图如图4所示。

3 结束语

四自由度液压机械手系统运转平稳，能准确完成上下料工作，机械密封可靠，说明液压回路的设计及液压元器件的选择满足产品使用的需求。最为重要的是整套设备的制作费用在五千元左右，与产品工业机器手数万元的价格相比，很大程度上满足了小型机械企业向自动化、智能化发展的需求，可为同类产品的设计提供经验。

机械手设计论文:基于SolidWorks的存码垛机械手结构设计

摘要：本文利用SolidWorks对用于箱类和袋类物品取放的存码垛工业机器人本体进行结构设计。存码垛工业机器人本体主要有基座、腰部、大臂、小臂、末端执行器、等部件组成。本设计对工业机器人的研究有一定的参考价值。

关键词：应用型本科；创新能力；机械制造基础；教学改革

1 Solidworks软件简介

SolidWorks是法国达索公司最先在Windows系统上开发的一款三维设计软件。其CAD功能方面涵盖了所有的设计类型，实体建模、曲面设计、二维工程图、装配、运动仿真、结构分析等功能一应俱全。创新的自顶向下设计过程使得设计工作一目了然，实时的更新功能使得工程师可以随时对产品特征参数进行动态修改。除此之外，SolidWorks还为不同的设计人群提供不同的功能模块，包括钣金、管道布线、电气设计等，使得设计过程简洁而丰富。

2 码垛机器人的发展

国外，最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典。1968年，日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于物品的取放和物料的搬运。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、意大利、德国、美国、瑞典、韩国等国家在码垛机器人的研究上做了大量工作，相应推出了自己的码垛机器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。工业机器人技术的飞速发展，使得码垛机器人在各个行业都得到了广泛的应用。

3 码垛机器人的工作对象

本文设计的码垛机器人的工作对象及其参数如下：

（1）码垛物品：箱类物品（如一箱纸巾）和袋类物品（如一袋洗衣粉）等。

（2）物品尺寸：长为200至500mm，宽为200至400mm，高为100至300mm。

（3）物品质量：每件物品为5至15kg。

（4）物品运动范围：以机器人为中心的，半径为3m，角度为90至180度。

4 码垛机器人结构设计

本文设计的码垛机器人为关节型机器人，这类机器人占地面积小、机构紧凑，工作空间大，还能穿过障碍物进行抓取，是机器人中使用最多的一种结构型式。码垛机器人的本体（即机械手）包括基座、腰部、大臂、小臂、末端执行器（俗称爪子），它的运动主要由码垛机械手手臂的俯仰运动和腰部的旋转运动组成。

4.1 手爪的结构设计

机械手臂末端抓取器大致可分为：夹钳式、专用操作式、吸附式、仿生多指式四类。由于工作对象为箱式或袋式物品，只需要设计能从不同角度抓取物品的夹钳式即可。其结构如图1所示，可以抓取不同大小多个种类的箱式或袋式货物。

4.2 臂部的结构设计

手臂部件（简称臂部）是机器人的重要执行部件，它的作用是支承腕部（关节）和手部（包括工件和工具），并带动它们在空间运动，臂部还安装一些传动驱动机构，从臂部的受力情况来看，它在工作中直接承受腕，手和工件的静动载荷，自身运动 又较多，所以受力情况复杂。

臂部主要是进行俯仰运动，这里采用铰接活塞缸实现臂部的俯仰运动。该机构的特点是，工作范围大、灵活性好。

4.2.1 大臂的结构设计

大臂是臂部的组成部分，它两端分别与小臂和立柱相连，它都是通过铰链连接。大臂的运动是通过与立柱相连的铰链活塞缸来进行运动传递的，它的运动轨迹就是一个圆弧形，通过活塞缸来进行俯仰运动，运动单一，结构简单。它较之小臂粗大，因为它是码垛机器人主要的受力部分之一。其三维结构如图2所示。

4.2.2 小臂的结构设计

小臂两端是与大臂和末端执行器连接，这里采用铰链连接，大臂与小臂之间的运动传递，采用铰接活塞缸来实现，其结构简单，运动性能好。小臂比之大臂在设计时材料消耗要比大臂少，体积也小，重量轻。其三维结构如图3.5所示。

4.3 立柱（腰部）的结构设计

立柱主要是支撑大臂小臂的重量，连接大臂和底座，并且固定了活塞缸的运动范围。结合要求与设计过程，腰部的结构材料为合金结构钢，无经淬火与回火处理。其三维结构如图4所示。

4.4 活塞缸的设计

本次设计，我采用最多的动力传动方式就是活塞缸，因为它工作形式单一，只能进行伸缩运动，且结构简单，由缸体和活塞缸组成，并且它在机器人的设计中运用很广泛。其三维结构如图5所示。

4.5 底座的结构设计

底座是承受码垛机器人整体重量的主要部件，且由于码垛机器人的手臂长，导致机器人整体重心并不在底座中线上，所以底座较为宽大。其三维结构如图6所示。基于底座在本次设计中的作用，选取底座的材料为铸铁，且设计底座尺寸为：长×宽×高= 280 mm×120 mm× 20 mm。

5 结论

码垛机械手的总体结构如图7所示，其运动是由腰部的旋转、手臂的俯仰、末端执行器的夹紧和放松组成。码垛机器人工作的全部流程：第一步，大臂处的活塞杆运动，带动小臂进行下伏运动，从而末端执行器接近物品，并通过夹紧缸将物品抓取；第二步，大臂进行上仰运动，带动物品上升；第三步，腰部回转缸进行回转运动，将物品移到堆放指定区域上空；第四步，大臂又下伏，将物品放在堆放台上，并且夹紧缸放松物品，最后大臂上仰，腰部旋转回到原位。

机械手设计论文:智能医疗机械手的分析与设计

摘要：随着21世纪生物技术高速发展， 随着人们对生物体认识的深入， 仿生智能机械应用也将有更光明的前景。仿生智能机械手可以在医生的监控或操作下，按照即定的方案，高精度地、高可靠地实施手术，并在规定的时限内完成。仿生智能机械手的应用可以为医院病人带来福音。

关键词：仿生机器人；智能；机械手；医疗；

1.引言

假肢是医疗领域最早使用仿生智能机械手， 随着技术的发展，出现了可以模仿人手做绝大部分的操作的仿生机器手，使用方便、灵活。在外科手术里，医生需要长时间地或在有限的时间内完成一系列复杂精确的操作。仿生智能机械手是一种仿人机械，可以在医生的监控或操作下， 按照即定的方案， 高精度地、高可靠地实施手术，并在规定的时限内完成。仿生智能机械手的应用可以为病人带来福音。现代社会、科技的高速发展推动着机械产业的发展， 对其自身结构、能量消耗或者运动的可靠性提出了更为严苛的要求。在环境优胜劣汰法则的作用下，自然界存在拥有神奇的特性与功能各种各样的生物。仿生智能机械手就是模仿人手的形态、结构和控制原理而诞生。人手共有27个自由度，可以精确定位并做出复杂精细的动作。仿生智能机械手可以通过模仿人类手部的动作，并依照智能控制系统给定的程序而实现智能化的手部抓取、搬运等复杂动作的自动机械装置。

在中国，医疗类自动控制机械设备的研究和应用起步较晚，然而近年来随着国内外自动控制和智能控制技术的快速发展，以及医院等医疗机构的迫切需求，智能机械手的应用得到了迅速的发展。智能控制技术可以建立柔性程序控制系统，从而实现医疗机械手的高精度控制。

2.结构简介

2.1.基本结构

本文设计的医疗机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

手部用来抓取刀具，由手指传力机构和驱动装置等组成。仿生机械手的手部结构一般以双指或者多指结构为基础；如果根据实现的不同任务动作要求，又被分成以下两种结构形式：外抓和内抓；如果根据仿生机械手的手部的运动形式又可以分为回转式和平移式，其中回转型又分为以下几种形式：单支点式，双支点式。在以上结构中，我们较多选用回转式的手部，这种结构能够方便的用来抓取药瓶等圆柱形医疗工具，平移型用于抓持方形医疗工具。

对于医疗机械手而言，其手部需满足的条件：首先，机械手的结构能够产生强且稳定的夹持力，用来精确安全的夹持医疗器具。由于医疗器具的搬运过程中，往往会存在一定的动载荷，因此在设计校核的过程中，一定要充分考虑动载荷的波动。同时，不同重量、尺寸的医疗器具在被夹持和传送过程中所要求的基本方向、动作、精度等不相同，因此结构设计必须充分考虑各种器具的使用条件。第三，必须充分考虑医疗器具的高精度定位要求。第四，医疗机械手的尺寸结构必须满足紧凑、精巧的要求，以利于腕部和臂部的结构设计。

智能仿生医疗器械手的动作机构的作用对象是医疗器具或者患者身体工，因此需要完成的不同动作都必须满足安全行要求，防止意外的发生；同时，智能仿生医疗器械手的结构、质量、尺寸等对于机械手的整体的运动学、动力学性能以及使用条件和使用范围等也有着直接、显著的影响。智能仿生医疗器械手整体动力学和运动学性能的高低，决定了机械手最终能否正常按照控制机构的指令进行工作。因此，智能仿生医疗器械手的结构设计是整体设计的最重要环节。

智能仿生医疗器械手的手腕在于手和手臂之间，用于调整手的方向。要使智能仿生医疗器械手能以不同的旋转角度和方位进行动作，因此，智能仿生医疗器械手的手腕要能满足六个自由度的动作要求，即：分别独立的绕X、Y、Z 轴向实现转动和平动，这样，智能仿生医疗器械手的手腕才能实现大范围角度的伸、缩、转动、平动、摆动等。

智能仿生医疗器械手的臂部是运动的主要执行部件，需要承载手部抓起器具的整体重力载荷，臂部的运动形式决定了它的基本结构。臂部运动的基本作用是把机械的手部所夹持的器具送到控制机构要求的空间点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。

2.2. 驱动机构与控制系统

驱动机构是智能仿生医疗器械手的动力来源。智能仿生医疗器械手的动力源与常规的动力源相同，主要包括液压驱动、气动、电力驱动和机械驱动等几种主要形式，近年来还发展了其它几种形式。电动机构驱动由于结构简单、尺寸紧凑、重量小、控制方便，备受设计人员的青睐。

智能仿生医疗器械手控制方式一般为基于模糊控制理论的点动控制和连续控制。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。智能仿生医疗器械手缓冲干扰源也越来越多样化，需要在不同的工作环境下，对干扰源进行正确的分析，并找出其抑制措施，是非常有必要的。

2.3. 结构布置要求及平稳性与定位精度

智能仿生医疗器械手在工作中运动定位要求较高，在结构布置上应保证运动精确平稳，这样可提高使用的可靠性，并可延长使用寿命，在结构上要注意以下几点：

2.3.1.臂部要防止偏重。一般情况下臂部为悬臂，所以在设计臂部、手部结构时，要尽量使其总的重心在支撑中心，防止偏重。假如有偏重，它将会产生附加的弯矩，引起立柱和导向的变形。防止偏重过大可采取的措施如下：一是减轻手部重量，以尽量减少偏心载荷；二是臂部上各部件应合理分布或增加平衡重，使臂部平衡；三是在结构上无法避免偏重时，则应加强导向支撑。

2.3.2.加强臂部刚度。臂部的刚度，决定于臂部的结构和导向形式。选取臂部结构时，各个方向的刚度都有要求。提高臂部刚度，是减少手部颤动的关键，也有利于提高定位精度。

2.3.3.改进缓冲装置和提高配合精度。机械手缓冲干扰源越来越多样化，需要在不同的工作环境下，对干扰源进行正确的分析，并找出其抑制措施，是非常有必要的。

3. 总结

尽管目前仿生智能学在工程机械行业中的研究还有很长的路要走，但伴随着21世纪生物技术高速发展， 随着人们对生物体认识的深入， 仿生智能机械设计也将有更光明的前景。仿生智能机械手仿人机械可以在医生的监控或操作下， 按照即定的方案，高精度地、高可靠地实施手术， 并在规定的时限内完成。仿生智能机械手的应用可以为病人带来福音。

作者简介：姓名：张金辉（1979.10-）性别：男，籍贯：云南，最高学历：本科，目前职称：助理工程师，主要研究方向：机电